Botsingen van langzame moleculen onthullen kwantumstructuur

Voor het eerst kan de snelheid tussen ongeladen moleculen en atomen van hoog tot zeer laag worden gevarieerd, terwijl bij een gekozen snelheid de snelheidsspreiding extreem klein is.
Een botsingsexperiment is een van de fundamenteelste manieren om iets over de botsingspartners te leren. De veranderingen in de deeltjes geven informatie over hun eigenschappen en hun interactie. In deeltjesversnellers vinden botsingen bij zeer hoge snelheid plaats tussen geladen deeltjes. Daarbij worden de deeltjes uit elkaar geschoten. Het nieuwe experiment is precies tegengesteld: de snelheid is juist extreem laag, de botsende deeltjes ongeladen en de deeltjes blijven heel bij de botsing.

Variëren van botsingsenergie
In het tijdschrift Science beschrijft de groep van Gerard Meijer (nog altijd hoogleraar in Nijmegen, maar nu voornamelijk in Berlijn) een methode om de botsingsenergie te variëren. Door hoge elektrische velden op het juiste moment aan en uit te schakelen is het mogelijk de snelheid van neutrale moleculen – normaal zo’n 500 meter per seconde – te variëren tussen 600 en 30 meter per seconde. Door deze hoge precisie kunnen details worden waargenomen die voorheen door de hoge snelheid en de grote snelheidsspreiding verborgen bleven.



Theorie bevestigd
Om de nieuwe methode te demonstreren hebben de onderzoekers de botsingen tussen OH- moleculen (die een belangrijke rol spelen in de atmosferische chemie) en xenon-atomen onderzocht. Er bestaat hierbij de kans dat het OH- molecuul na de botsing gaat draaien. Hoe groot die kans is en hoe hard het gaat draaien hangt af van de beschikbare botsingsenergie. Als bij zeer lage botsingsenergieën wordt gemeten is de kwantumstructuur van de botsende moleculen duidelijk zichtbaar. Het gevolg is dat niet zomaar elke draaiingsnelheid mogelijk is.

In het experiment is nu met zeer hoge precisie gemeten bij welke botsingsenergie welke mate van draaiing plaatsvindt. Een vergelijking met de nauwkeurigste theorie op dit gebied, afkomstig van theoretisch kwantumchemicus Gerit Groenenboom uit Nijmegen, leverde een goede overeenstemming op. Dit geeft aan dat het gebruikte theoretische model de fysica van het botsingsproces goed beschrijft.

Nieuwe stappen
Behalve voor onderzoek naar de aard van moleculen kan de methode om moleculen af te remmen ook gebruikt worden om chemische reacties bij lage energie te onderzoeken. De onderzoekergroep zelf denkt intussen alweer aan een verbetering: als de snelheid van beide botsende deeltjes wordt gevarieerd neemt de nauwkeurigheid van de meting nog verder toe waardoor nog meer details van de kwantumstructuur in moleculen aan het licht kunnen komen.